梅雨锋暴雨中尺度对流系统研究若干进展

梅雨锋暴雨中尺度对流系统是暴雨的直接影响系统,对其结构特征、活动规律及其发生发展的物理机制的深入研究,对提高梅雨锋暴雨的预报能力有重大意义。近年来对梅雨锋暴雨中尺度对流系统的研究取得了很大进展,文章对梅雨锋暴雨中尺度对流系统研究的若干进展作了简要综述,包括梅雨锋暴雨云系多尺度结构、梅雨锋暴雨的β和γ中尺度系统发生发展的环境条件和结构、云微物理分布和转化特征及其对热力动力过程反馈等方面,并对有关问题进行讨论。     

梅雨锋暴雨数值模拟中地形的作用

通过WRF模式对2003年7月9日至10日梅雨锋暴雨天气过程在有、无地形情况下数值模拟的结果的分析,探讨了地形对梅雨锋暴雨的影响。研究表明:在有地形的模拟中,模拟的结果较好地再现了梅雨锋降水过程、主要影响系统和梅雨锋的结构;而无地形的模拟中,模拟的雨带偏南,强降水范围偏大,降水系统偏南。地形对梅雨锋暴雨的作用是由于地形减弱了北方冷空气的强度。     

我国长江中下游梅雨锋暴雨研究的进展

我国长江中下游梅雨锋暴雨研究在最近五年中取得了明显的进展,其中有：第一,提出了基于多种实时观测资料的梅雨锋暴雨的多尺度物理模型;第二,建立了梅雨锋暴雨的天气学模型;第三,提出了梅雨锋的详实结构及其维持机理;第四,提出了多种中尺度暴雨的定量卫星遥感反演理论和方法,并形成一系列新的反演产品;第五,成功地研究了双多普勒雷达同步探测和反演中尺度暴雨三维结构的理论和方法;第六,发展了配有三维变分同化系统的中尺度暴雨数值预报模式系统,在2003年淮河抗洪救灾中发挥了积极作用。     

梅雨锋上的三类暴雨

根据观测分析研究,概括出长江流域梅雨锋上主要有三类暴雨:梅雨锋上β中尺度的对流性暴雨、梅雨锋东部(115°E以东)的初生气旋暴雨、梅雨锋西端深厚高空低压槽前部的持续性强暴雨.第一类暴雨局地性特征明显,其范围一般小于300 km,暴雨的瞬时强度大,暴雨发生所需的强上升运动由局地强的对流有效位能(CAPE)释放的浮力抬升引起.第二类和第三类暴雨的共同点在于都有明显的大尺度强迫过程,大尺度的动力强迫使持续暴雨所需的垂直上升运动得以维持.后两类暴雨的数值预报效果较第一类的好,比梅雨锋上β中尺度暴雨预报更容易掌握.     

梅雨锋暴雨的Doppler雷达观测研究:中尺度对流回波系统的结构和特征

详细分析了１９９１年７月９日发生在江淮地区的一次梅雨锋大暴雨过程,研究了梅雨锋中尺度对流回波系统的形态、结构以及与它相伴随的中尺度天气系统,提出了梅雨锋内弱的低层辐合下暴雨对流回波的中尺度回波增强区（ＭＥＥＲ）概念,并与台湾地区中尺度试验（ＴＡＭＥＸ）中的梅雨锋暴雨研究结果作了比较     

梅雨锋降水带中不同地域大暴雨成因的对比分析

利用NCEP再分析场、红外卫星云图的TBB值和常规观测资料对2003年7月9—10日长江流域梅雨锋上的一次大暴雨天气过程的成因进行了分析。结果表明：这次梅雨锋暴雨是在有利的高、中、低层系统配置下，不同纬度带环流相互作用的结果，中β尺度深对流系统是暴雨的直接影响系统。但梅雨锋西段和东段暴雨的影响系统不完全相同。这次梅雨锋的锋面结构既有典型梅雨锋的一般特点，又有其独特的特征，在该次梅雨过程中不同地区梅雨锋的结构不同，梅雨锋的结构是多样的。     

梅雨锋中暴雨的Doppler雷达观测研究：中尺度对流回波系统的 …

详细分析了１９９１年７月９日发生江淮地区的一次梅雨锋大暴雨过程,研究了梅雨锋中尺度对流回波系统的形态、结构以及与它相伴随的中尺度天气系统,提出了梅雨锋仙弱的低层辐合下暴雨对流回波的中尺度回波增强了（ＭＥＥＲ）概念,并与 区中尺度试验（ＴＡＭＥＸ）中的梅雨锋暴雨研究了结果作了比较。     

论东亚梅雨锋的大尺度环流及其次天气尺度扰动

本文论述东亚梅雨锋的大尺度环流及其次天气尺度扰动,提出了以下的论点;东亚梅雨是印度季风体系与北太平洋哈得来(或信凤)体系之间的过渡带中产生的现象;梅雨锋是半热带、半温带性质的天气系统;梅雨锋暴雨的发展与梅雨锋上次天气尺度扰动有关。文中给出了东亚梅雨锋的大尺度环流及其扰动的概念模式。     

梅雨锋降水运动诊断分析与（大）暴雨形成——江淮梅雨锋暴雨的天气学成因个例分析

对T213 L31再分析模式大气,在等熵坐标系上对天气学大尺度凝结函数降水、水汽通量散度降水做了诊断计算;同时,对整层对流不稳定性降水和气块（团）湿不稳定降水做了理想设计与诊断计算.对2003年7月江淮梅雨锋暴雨的计算与分析表明：两种天气尺度波动的大尺度稳定性降水运动的降水量级较小,都不足以直接形成暴雨;而对流不稳定降水运动可以形成暴雨,却不足以形成大暴雨;只有气块不稳定降水运动,才是梅雨锋上大暴雨的自组织、正反馈的唯一降水机制.研究表明,该江淮梅雨锋暴雨虽然存在着明显的梅雨锋天气尺度降水系统,但充沛的水汽通量和异常高温高湿气团的维持,使得在梅雨锋上发生着的非等熵湿绝热运动及其对流不稳定降水和气块不稳定降水,是（大）暴雨发生的天气学成因.     

中国长江中下游梅雨锋暴雨形成机理以及监测与预测理论和方法研究

国家重点基础研究发展规划项目“我国重大天气灾害形成机理与预测理论研究”经过项目全体科学家的 5a研究 ,取得了一系列重要的研究成果 :(1)提出了基于多种实时观测资料的梅雨锋暴雨的多尺度物理模型 ;(2 )建立了梅雨锋暴雨的天气学模型 ;(3)梅雨锋是由多个不同尺度系统构成的梅雨锋系 ,它具有介于温带锋系结构与热带辐合带结构之间的副热带锋系结构 ,在长江中下游有时可表现为双锋结构。锋前的湿物理过程与锋上强对流系统发展形成的正反馈过程以及梅雨锋系的不同尺度系统的相互作用是梅雨锋维持与发展的重要机制 ;(4 )提出了多种中尺度暴雨的定量卫星遥感反演理论和方法 ,并形成一系列新的反演产品 ;(5 )成功地研究了双多普勒雷达同步探测和反演中尺度暴雨三维结构的理论和方法 ;(6 )发展了配有三维变分同化系统的中尺度暴雨数值预报模式系统 ,在 2 0 0 3年淮河抗洪救灾中发挥了积极作用。上述研究成果表明该项目已经圆满地完成了预定的目标与任务。     

梅雨锋暴雨的中尺度结构和边界层特征

对１９９０年两场梅雨锋暴雨的地面中尺度结构作了较详细的分析研究，并利用加密观测的铁塔和低探资料，揭示了梅雨锋暴雨各阶段边界层热通量和动量通量特征。     

一次典型梅雨锋暴雨过程的多尺度结构特征

利用多种类型资料,对2009年6月29—30日引发鄂皖境内梅雨锋特大暴雨过程的天气形势和中尺度对流系统（MCSs）进行了初步分析,揭示了梅雨锋暴雨系统的多尺度结构特征,并用中尺度模式WRF对梅雨锋暴雨系统进行了9km三重双向嵌套大区域精细模拟,再采用Morlet小波变换对模式输出进行空间带通滤波,分离出α、β和γ中尺度系统,对不同中尺度系统的热力动力三维空间结构特征进行了研究。结果表明：梅雨锋特大暴雨由梅雨锋上多个不同尺度的MCSs活动造成,这些不同尺度的MCSs在卫星云图和雷达回波上呈现出不同的特点。在α、β和γ中尺度上,梅雨锋暴雨中尺度系统在水平和垂直方向上的动力、热力结构特征存在着明显的差异,α、β中尺度系统具有明显的垂直环流,而γ中尺度系统则具有惯性重力波特征,往往嵌套在α、β中尺度系统内发生发展。最后,提出了典型梅雨锋暴雨系统的物理概念模型。     

2003年和2006年梅汛期暴雨的梅雨锋特征分析

本文针对2003年和2006年梅汛期暴雨量集中在淮河流域而总雨量不同的特点,利用平均场的方法,较深入地研究了暴雨时梅雨锋的结构。研究得到:暴雨发生时有明显的梅雨锋区;暴雨量与锋区的强度成正比;暴雨区位于锋区中即在对流层中低层的高温高湿区的偏北区域中,也就是低空急流的北部;锋生函数的切变变形场与暴雨的落区重叠;经向锋生函数的正值区呈直柱状,与南风等风速线的密集区相重叠,纬向分布的锋生函数指示了暴雨区的范围。     

1998梅雨锋的结构特征及形成与维持

应用1998年6月中旬的分析资料, 对1998年6月16~17日暴雨时段的梅雨锋结构及梅雨锋的形成与维持进行了诊断分析, 确认了暴雨发生时期梅雨锋结构的一些普遍特征, 如在对流层低层表现为θ_se锋而不是温度的强烈对比, 梅雨锋区是一个低层正涡度带以及风和水汽的辐合带等。同时揭示了1998年6月暴雨时期梅雨锋结构的典型特征:锋区从近地面可伸展到600 hPa层 (一般认为梅雨锋只存在于800 hPa以下), 近乎垂直、略向北倾; 锋区900 hPa以下是一个大气弱对流不稳定区, 向上气层变为潮湿中性直至400 hPa, 等θ_se线基本上呈垂直分布; 锋区斜压性相当弱等。研究表明, 出现强降水时的梅雨锋结构已经变性或者说它是介于温带锋面结构和ITCZ结构之间的副热带锋系结构。分析还认为, 在强盛的南海季风涌和频繁的西风带扰动组配的大尺度有利背景形势下, 低层空气的水平运动和地转偏差风对1998梅雨锋的形成和维持有明显的正贡献。     

2007年梅雨锋降水的大尺度特征分析

2007年6-7月在华南、长江中下游以及淮河流域先后出现东西走向静止锋暴雨,引起粤东和淮河流域洪涝灾害.分析了这3个地区静止锋暴雨的动力学、热力学结构的异同点.2007年7月引起淮河洪涝的主要强降水是7月8-9日的暴雨,分析了引起这场强暴雨的大气环流特征以及梅雨锋深厚的锋生过程和气旋生成过程.主要结论为:(1)华南前汛期降水、长江梅雨期降水以及淮河强降水出现时东西向静止锋在动力学和热力学的结构相同,可通称为"梅雨锋".(2)2007年淮河静止锋暴雨的出现,是由于中国东部上空有深厚高空槽发展,诱导梅雨锋上气旋生成过程和深厚的锋生过程.气旋生成过程和锋生过程使梅雨锋上出现强烈的上升运动,形成了致洪暴雨.     

改进的湿Q矢量分析方法及梅雨锋暴雨形成机制

利用实测暴雨资料,结合改进的MM4(MMM4)模式模拟输出的加密资料,分别利用改进的湿Q矢量(记为Q*)及改进的湿Q矢量分解(Partitioning),诊断分析了1991年7月5日20:00~6日20:00一次典型的江淮梅雨锋暴雨过程。结果表明,600hPaQ*矢量散度辐合区对同时刻地面降水的强度、落区及不均匀性有很好的指示作用。在整个梅雨锋暴雨过程中,Q*矢量散度辐散、辐合在垂直方向上是相间分布的,它所激发的次级环流可能是诱发梅雨锋暴雨产生的重要因素。进一步研究表明,改进的湿Q矢量分解比“总”Q*矢量更具有诊断意义,可将梅雨锋暴雨的垂直运动场进行有意义的尺度分离,更有利于梅雨锋暴雨的潜在物理机制的评估。在梅雨锋暴雨的不同阶段,对于垂直运动场而言,不同尺度的Q*矢量散度辐合场的强迫作用不同,有主、次之分。基于上述诊断分析结果,本文进而提出梅雨锋暴雨形成的可能物理机制,并给出其概念模式:由于初始大气中大尺度的水汽及垂直运动场的空间分布不均匀,从而造成了大尺度Q*矢量散度辐合,激发出次级环流,进而引发了中尺度Q*矢量散度辐合场的产生,最终产生次级环流,直接导致梅雨锋暴雨的发生。     

2011年梅汛期一次暴雨过程的对流涡度矢量方程诊断分析

利用NCEP FNL资料、FY-2E云顶亮温、常规观测及加密自动站降水量等资料,以及高分辨率中尺度模式WRF V3.3的模拟结果,结合对流涡度矢量方程对2011年6月一次江淮梅雨锋暴雨过程进行了诊断分析。结果表明,模拟结果再现了该次暴雨过程的降水特征,该过程主要受地面低压及梅雨锋锋面系统的控制和影响,其中6月14-15日为所选暴雨个例最旺盛的阶段,且该时段伴随梅雨锋上中尺度对流系统的移动发展和梅雨锋锋生。对流涡度矢量及其垂直分量的倾向方程的诊断分析表明,对流涡度矢量垂直分量的局地变化主要受非绝热加热项的影响;而非绝热加热与次级环流和梅雨锋锋生的关系说明中尺度对流活动与梅雨锋锋生存在类CISK机制的反馈关系。因此,对流涡度矢量,特别是其垂直分量可以用来诊断和揭示伴随非绝热加热的中尺度对流系统与梅雨锋锋生之间的关系。     

次天气尺度及中尺度暴雨系统研究进展

回顾了75年来中国科学院大气物理研究所科研人员在次天气尺度及中尺度暴雨系统领域的研究工作,这些领域主要包括暴雨、中尺度低空急流、低涡、梅雨锋结构及梅雨锋生、对称不稳定和涡层不稳定以及暴雨等灾害天气的天气动力学及数值模拟研究等;总结了在次天气尺度及中尺度暴雨系统研究的不同时期所取得的成就以及这些成就在防止和减轻中尺度暴雨灾害方面所起到的重要作用.     

长江中下游一次非典型梅雨锋中尺度暴雨过程的分析研究

利用T10 6物理分析资料、地面与高空加密观测资料和TBB资料对 2 0 0 1年汛期一次非典型的梅雨锋中尺度暴雨过程进行天气学和动力学诊断分析 ,并与 1998年典型的梅雨锋中尺度暴雨过程作一些比较。首先分析了该次暴雨过程的大尺度背景场 ,发现与 1998年典型的梅雨锋形势不同的是 ,5 0 0hPa环流形势表现为贝加尔湖地区是阻塞高压 (阻高 ) ,南海季风涌形式不明显 ,南亚高压位置偏东南 ,高空辐散气流较弱。接着对该暴雨系统的结构进行诊断分析 ,揭示了该非典型梅雨锋中尺度暴雨系统的三维结构 ,包括各物理量如涡度、散度、假相当位温、水汽的通量以及湿位涡等的结构特征。分析表明 ,总体来说 ,该次暴雨过程的强度要比 1998年典型的梅雨锋暴雨要弱 ,相应的各物理量的三维结构与 1998年典型的梅雨锋中尺度暴雨系统的三维结构相比有明显差异。     

典型梅雨暴雨系统的云系及其相互作用

利用GOES-9红外云图和NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料,分析了2003年6月29日～7月12日长江中下游一次典型梅雨期间暴雨系统的云系成员及其相互作用.结果表明:(1)梅雨暴雨系统的云系成员主要有四个,它们是梅雨锋云系、西风带短波槽云系、青藏高原东移扰动云系和季风云涌.这些云系成员都可以影响到梅雨锋云系的形状和强度,对梅雨锋云系的建立或重建都起到重要的作用.(2)梅雨云系成员是相应的天气系统相互作用的产物,副热带高压决定梅雨锋云系的位置,因此也决定了暴雨发生的区域.适当强度的高空槽可以诱生梅雨气旋,产生锋面气旋暴雨.高原东移扰动云系如果受高原槽的引导可以移出高原,同时也诱生西南低涡并移出四川盆地,高空槽和低涡共同作用造成了沿途暴雨.季风云涌在副高东退的情况下,就有可能北上和梅雨锋云系连在一起.不同的云系成员和梅雨锋云系相互作用的结果形成不同的云系分布.